复合相变蓄热器的应用

复合相变蓄热器的应用

0冷凝器热回收技术随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，使用空调的使用变得越来越受欢迎。空调作为能源消耗的大户,在整个能源的合理利用和有效节能中应起到带头的作用。据统计,上海市近年来空调用电负荷约占夏季用电高峰负荷的50%。由压缩式制冷的工作原理可以得到机组在制冷工况下运行时要向大气环境排放大量的冷凝热,其值可达制冷量的1.1～1.3倍。采用热回收装置可充分利用空调系统的废热,减少大气环境污染,同时提供免费的生活用水,是一条变废为宝的节能途径。从国内的研究状况来看,冷凝热的回收方式主要是考虑直接加热自来水或者是采用蓄水槽的显热回收。直接加热自来水的问题很明显,就是空调系统运行时段与热水使用时段的时间差问题和冷凝热量不能与生活热水用量同步。因此,设置蓄热装置就显得很必要,它可以存储中午空调满负荷时产生的热水用以补充晚上空调低负荷时产水量的不足。国内现在研究集中在蓄水槽的显热回收,主要缺点就是占用面积太大,而且换热效率低。刘红娟等提出了用相变材料蓄热来解决此难题。在此基础上本文提出了把蓄热水池与相变材料相结合的装置回收空调冷凝热。1验机组的组成热回收空调系统由常规空调机组、热回收蓄热器、水箱及相应的管路与阀门组成。系统的装置如图1:该实验机组由压缩机、风冷冷凝器、蓄热器、储液器、电子膨胀阀、风冷蒸发器、电加热器以及辅助设备(如阀门、水箱、温控装置、水泵、配电箱等)组成。其特征在于:在空调机组回路的冷凝器上串联一个相变蓄热器和一个水蓄热器,压缩机出口出来的制冷剂依次通过它们。蓄热器回收压缩机的冷凝排热,是该系统的重心。1.1空调系统的冷却法2.热回收空调系统可以实现三种运行模式:单一制冷、制冷加蓄热(热回收)以及释热模式。1)单一制冷工况单一制冷工况的工作原理与传统空调系统相同,此工况下三通阀2通往蓄热器的一路关闭,制冷剂直接流向冷凝器(四通阀10上下口关闭,左右口开启),空调系统的冷凝排热直接排出,未加利用。2)制冷加蓄热(热回收)工况制冷机向空调用户供冷,同时所释放的冷凝热量被蓄热器中相变材料储存起来。开始时蓄热器内相变材料温度较低,即蓄热器出口温度较低,因此制冷剂无需流入常规风冷式冷凝器而直接进入储液器。随着蓄热器内相变材料和水的温度升高,制冷剂流出蓄热器的温度也升高,若制冷剂流出蓄热器的温度高于空调系统标准工况下的冷凝温度,制冷剂则需进入冷凝器进一步冷却。制冷机组的制冷能力,随蒸发温度的降低而减少,随冷凝温度的升高而减少。一般来说,空调系统进行蓄热时它的冷凝温度也会相应的提高一些,对空调的正常运行影响不大,因此空调系统正常运行时均可同时对冷凝排热进行回收(蓄热)。3)释热工况当需要热水的时候,打开阀门8,使储水箱里的自来水依次进入水蓄热池和相变蓄热器进行热交换,可使这些水由原来的常温20℃加热到40℃左右。如果实际中需要更高温度的热水,可用电加热器3辅助加热,进一步提高热水的温度,达到需要的要求。由前面的分析看出,热回收空调系统的释热可与制冷、蓄热同时运行而不会互相影响、互相干涉。1.2石蜡蓄热器的简介空调用蓄热材料属于低温蓄热材料。对蓄热材料的主要要求是:相变温度合适,相变潜热大,体积变化小,材料安全无毒且环境负荷小,热导性、耐久性、流动性好、成本低,制作简单。本文相变蓄热器采用的材料为改性石蜡。石蜡作为相变蓄热材料,其熔解温度要和空调系统的冷凝温度相匹配。目前市场上供应的石蜡,其熔点一般在50℃左右,而中央空调标准工况冷凝温度为54.4℃左右,要直接利用石蜡作为蓄热材料需要降低其熔点。由于溶剂中加入溶质会降低溶剂熔点,故在石蜡中加入一种添加剂使其熔点降低。文中采用添加重量比为10%的食品添加剂,食品添加剂为月桂酸、草莓香精。1.3管壳式蓄热器的结构设计目前所研究设计的相变潜热储能系统大多由相变材料和传热流体两部分组成,通过传热流体与相变材料间能量的交换来实现能量的储存与释放。与普通换热器相比,相变储能换热器的特点是换热器中需同时布置流体管道和相变材料,并且在相变传热过程中相变界面的移动使相变材料的传热热阻逐渐变化。压缩冷凝机组冷凝热回收系统的主要环节是蓄热器,它与普通的蓄热器有些不同,由三部分组成,即相变材料(石蜡基相变材料),热流体(制冷剂流体)和冷流体(水)。由于石蜡基相变蓄热材料的传热性能较差,所以需要通过优化蓄能装置的结构来改善其蓄能和放能特性。当换热器两侧流体的换热系数相差较大时,在换热系数小的流体一侧加上翅片,可扩大换热面表面积、并促进流体的扰动减小传热热阻,有效地增大传热系数,从而增加传热量。基于此原理,将管壳式换热器与翅片管式换热器结合,设计出套片式大翅片管壳式蓄热器。该蓄热器既具有管壳式换热器的特点,又具有翅片管式换热器的优点。1.4蓄热过滤系统设计蓄热水槽的体形可根据工程的具体情况确定,通常情况下为了提高蓄热热水槽的利用率蓄热水槽多是圆形和矩形,平底圆桶形的水槽外表面积与体积之比小于同样容积的矩形槽,前者的热量损失就小于后者,所以工程中宜采用圆形水槽。蓄热水槽要做好保温,尽量减少热量的损失,工作温度为40～95℃,要求表面热损失不大于47W/m2。在保温层外要求做保护层,可采用铝板或不锈钢作保护层。2蓄热式热交换器利用相变材料作为蓄热介质,属于潜热蓄能,其蓄热密度与相变材料的相变潜热有很大关系,随着相变潜热的增大而增大。水作为显热蓄热介质,其蓄热量的多少与水的显热吸收有很大的关系,随着显热的增大而增大。同时,在相变材料全部熔解以后还可以继续利用水的显热吸热对空调系统的冷凝排热进行热回收以吸收更多的冷凝排热。采用相变蓄热材料与水作为蓄热介质的蓄热器可把两者的优点结合起来。从量的角度考虑,一般来说,系统的排气显热部分只占全部热量的15%～20%,即使全部显热被水蓄热吸收也是很有限的,而且温度也不会太高,进而生产出的热水温度也不高,不能满足热用户的温度需求,还需用辅助电加热器进一步加热,又将消耗一部分能量。而采用复合相变蓄热器不但可以吸收水的显热,而且还可以吸收部分相变潜热,回收的热量大。在实验中,蓄热式热交换器是按照空调器标准工况(54.4℃/7.2℃)名义制冷量为7kW,输入功率为100W等参数来定的,因此其总的蓄热量约为8.75kW(按名义制冷量的1.25倍计算),其中该系统所产生的冷凝热中冷凝潜热有7.437kW(约为冷凝热的85%),显热部分占1.312kW(约为冷凝热的15%)。冷凝潜热即过热部分则全部由相变蓄热器吸收,而显热部分则有大约一半即0.656kW被蓄热水箱吸收。蓄热器设计中,热交换器按照双鹿空调器三匹机名义制冷量7kW设计的。每m3石蜡的潜热量为47.5kWh/m3,现总蓄热量Qk=7.437kW(冷凝温度50℃),则需用石蜡量V=0.157m3,质量为141.3kg(假定蓄热时间为1小时)。3制冷装置的设计1)目前,蓄热器在国外已广泛应用,在我国也逐渐发展起来。余热和太阳能等资源的有效利用,迫切需要设计和发展高效率、低成本的相变蓄热器,但对蓄热器的设计计算尚无统一的方法。因此,对蓄热器的设计也处于摸索阶段。2)对蓄热介质的要求是:热容量大、蓄热能力强,化学稳定性好,熔点低,对人体、动植物无害、价格低廉,制作简单。我国对蓄热材料的开发有待进一步加强。3)应尽可能使制冷装置在较低的冷凝温度下运行。在设计中选取的冷凝温度是定值,而实际运行中的冷凝温度是变化的。冷凝温度与环境温度有关,不仅随季节变化,而且每天昼夜也在不断变化,因此在设计时应充分考虑各种不利因素,选择适当的冷凝温度,保证制冷装置在高效率下节能运行。4)换热器除了保证有与所改造机头的功率相适应的换热面积外,还必须有较低的阻力不会影响制冷机原有工况,否则会降低出力。4回收水处理系统的经济效益分析本文中采用独特的复合型蓄热器回收空调的冷凝热,解决了常规蓄热水器水箱过大或热需求侧与供应侧量与时间不平衡的问题。采用相变材料蓄热效果好,贮热时间长。通过分析可看出,该系统不但可以满足设计的要求,减少对环境的污染,节省了